基于CAE技術(shù)的轉(zhuǎn)盤架注塑模具優(yōu)化設(shè)計

張春鵬，王錫明，張遠斌，王雪冰

（合肥學(xué)院　機械工程系，安徽　合肥　230601）

基于CAE技術(shù)的轉(zhuǎn)盤架注塑模具優(yōu)化設(shè)計

張春鵬，王錫明，張遠斌，王雪冰

（合肥學(xué)院機械工程系，安徽合肥230601）

以優(yōu)化澆注系統(tǒng)為目的，首先采用CAE技術(shù)，利用Moldflow軟件對充填、冷卻過程進行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果選擇合理澆注系統(tǒng).其次，通過優(yōu)化成型工藝參數(shù)提高轉(zhuǎn)盤架成型質(zhì)量.最后，根據(jù)CAE優(yōu)化結(jié)果，通過三維軟件UG完成模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計.

注塑模；最佳澆口位置；CAE；優(yōu)化設(shè)計

塑料模具的澆口位置及澆口形式將直接影響成型塑件的質(zhì)量，澆口的數(shù)目和位置的選擇對產(chǎn)品的外觀和質(zhì)量有很大的影響，如影響到氣穴、熔接痕、澆口痕跡的數(shù)目以及它們出現(xiàn)的位置；另外，對生產(chǎn)條件和工藝要求也有很大區(qū)別，像注射壓力、鎖模壓力、螺桿速度等都與澆口的設(shè)計有很大關(guān)系[1]，因此合理設(shè)計澆注系統(tǒng)是塑料模具設(shè)計的關(guān)鍵.實踐證明，利用CAE技術(shù)，借助Moldflow軟件模擬塑件的充填、冷卻等過程，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效實現(xiàn)澆注最佳質(zhì)量[2].這樣不僅大大減少試模、修模的盲目性，縮短開發(fā)周期，而且提高模具的一次性試模成功率.

1　注塑過程的數(shù)字描述

注塑過程的數(shù)字描述是基于CAE技術(shù)進行注塑成型分析和優(yōu)化設(shè)計的理論基礎(chǔ).塑料熔體填充過程被認為是粘性非等溫不可壓縮流動與傳熱過程，可采用粘性不可壓縮流動的基本方程來描述[3].由于大部分塑料產(chǎn)品都是薄壁件，故認為塑料熔體是在扁平型腔內(nèi)流動，并據(jù)此引入一些假設(shè)和簡化，從而根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和熱力學(xué)理論，得到充填過程的數(shù)學(xué)模型.

1.1連續(xù)性方程

1.2動量方程

式中P為熔體的壓力.

1.3能量方程

式中，ρ為密度，cp為比熱容，k為傳熱系數(shù)，T為熔體的溫度.

2　設(shè)計方案的選取

2.1產(chǎn)品要求

圖1　轉(zhuǎn)盤架模型

某大批量生產(chǎn)的轉(zhuǎn)盤架塑件，如圖1所示.最高只有40mm，厚度只有2mm，同時塑件上還有尺寸較小的螺釘固定部分，具有薄壁、深肋位等特點，材質(zhì)為ABS.塑件精度等級定為IT5，要求在能保證基本精度的前提下，塑件的表面質(zhì)量和美觀度應(yīng)盡量達到一個較高的水平，即盡量減少氣穴、熔接痕等現(xiàn)象.

根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)特點，擬采用一模兩腔側(cè)澆口進料和一模兩腔點澆口進料的模具結(jié)構(gòu)形式，分別為方案一和方案二，如圖2所示.

圖2　澆口方案

2.2初始設(shè)計及分析

首先根據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式對澆注系統(tǒng)進行初始設(shè)計，并通過Moldflow模流分析進行仿真模擬.通過模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，選擇合適的澆注結(jié)構(gòu)，并對所選設(shè)計方案進行調(diào)整和改進，以達到優(yōu)化模具結(jié)構(gòu).兩種設(shè)計方案的分析比較結(jié)果如表1所示.

分析結(jié)果表明，方案一在氣穴、熔接痕等方面有較明顯的改善，故采用該方案.圖3為兩種方案的成型塑件的氣穴比較.圖4為兩種方案的成型塑件的熔接痕比較.

表1　兩種方案CAE分析因素比較

圖3　氣穴比較

圖4　熔接痕比較

2.3澆口方案優(yōu)化設(shè)計

在方案一的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化工藝參數(shù)，提高成型塑件表面質(zhì)量.

（1）鎖模力的優(yōu)化.保壓切換點改至填滿模腔97%時開始保壓.采用兩段保壓，第一段保壓時間為4s，保壓壓力為最大注射壓力的90%；第二段保壓時間為2s，保壓壓力為最大注射壓力的60%.優(yōu)化前鎖模力的最大值為45MPa；優(yōu)化后鎖模力的最大值為35MPa.優(yōu)化后最大鎖模力比優(yōu)化前最大鎖模力降低28.6%，達到優(yōu)化目的.見圖5.

圖5　鎖模力優(yōu)化

（2）氣穴的優(yōu)化.在易形成氣穴的部位適當(dāng)添加排氣槽，注射時間改為0.6s，同時提高注射速度，注射壓力提高至200MPa，溫度提高至300℃.優(yōu)化后的氣穴明顯比優(yōu)化前的氣穴減少，特別是塑件表面的氣穴得到了很好的消除.見圖6.

圖6　氣穴優(yōu)化

（3）熔接痕的優(yōu)化.適當(dāng)提高流道及型腔表面質(zhì)量，減小熔體流動阻力；料溫提高至300℃；在模具合適部位增開排氣槽.成型時產(chǎn)生的大量熱氣可以通過這些間隙被迅速帶走，使產(chǎn)品表面的熔接痕不再明顯.[4]優(yōu)化后的熔接痕明顯較優(yōu)化前的熔接痕少，優(yōu)化效果達到50%以上.見圖7.

圖7　熔接痕優(yōu)化

3　轉(zhuǎn)盤架模具開模設(shè)計

對優(yōu)化后的方案一，運用UG軟件解決模具結(jié)構(gòu)設(shè)計問題.運用UG軟件可以有效防止結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中各種零件的干涉，使得模具的型芯、型腔、型腔布局以及整個模具的設(shè)計實現(xiàn)模型實體化、標(biāo)準(zhǔn)化[5].用UG分析塑件尺寸，添加材料ABS收縮率[6]，對不規(guī)則體積進行分析直接得出塑件質(zhì)量的準(zhǔn)確結(jié)果為：m=37.1g，V=36.334cm3.最終設(shè)計的模具三維爆炸圖，如圖8所示.根據(jù)三維圖轉(zhuǎn)化的二維裝配圖，如圖9所示.

圖8　轉(zhuǎn)盤架注射模模具爆炸視圖

圖9　模具裝配圖

4　結(jié)論

利用Moldflow軟件，模具設(shè)計人員無需試模即可充分了解塑料熔體在模具型腔的充填情況，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不合理部分，并能實現(xiàn)復(fù)雜多型腔注塑件澆注系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計.經(jīng)實際生產(chǎn)驗證，取得了較好的效果.

〔1〕宮紀(jì)明，李一平.基于CAE技術(shù)的聚氨酯彈性體制品模澆口設(shè)計分析 [J].宿州學(xué)院學(xué)報，2014，29（3）：82-85.

〔2〕黃娜斌，江波,等.基于CAE技術(shù)對注塑制品流動模擬及缺陷分析 [J].塑料，2007，36（4）：99～102.

〔3〕袁國定，胡曙光,等.基于CAE技術(shù)的注塑模澆口優(yōu)化設(shè)計[J].江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，25（6）：477～481.

〔4〕王博，王發(fā)展，葉侃，等.筆記本電腦電池蓋進澆方案MOLDflow分析[J].工程設(shè)計學(xué)報，2012,19（3）：217-220.

〔5〕鐘平福，李錦標(biāo).UG NX5注塑模具設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.6.

〔6〕何華妹，杜志敏,等.UG NX3注塑模具設(shè)計實例精解[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.12.

〔7〕劉國亮.非對稱多型腔模澆口位置優(yōu)化設(shè)計[J].模具工業(yè)，2010，36（4）：1～3.

〔8〕黃娜斌，江波,等.基于CAE技術(shù)對注塑制品流動模擬及缺陷分析[J].塑料，2007，36（4）：99-102.

TS320.66

A

1673-260X（2016）09-0032-03

2016-05-20

王雪冰